原地-半原地深熔花崗巖特征：以華北克拉通北緣包頭地區(qū)石榴花崗巖為例

石強(qiáng) 徐仲元 李剛 趙忠海 尹志剛 董曉杰 馮帆 連光輝SHI Qiang, XU ZhongYuan**, Li Gang, ZHAO ZhongHai, YIN ZhiGang, DONG XiaoJie, FENG Fan and LIAN Guang Hui

1. 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 1300612. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，阜新 1230001.

College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061, China2. College of Mining Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China

深熔作用一直是國(guó)內(nèi)外地學(xué)界十分關(guān)注的重大科學(xué)問(wèn)題之一?！吧钊邸边@一概念脫胎于混合巖和混合巖化作用的研究，強(qiáng)調(diào)中-高級(jí)變質(zhì)巖區(qū)廣泛存在的深熔作用產(chǎn)物(楊振升等, 2008)。近20年來(lái)，高溫高壓熔融實(shí)驗(yàn)(Kriegsman, 2001; Brown, 2007)和高溫-超高溫變質(zhì)相平衡模擬(魏春景和朱文萍, 2016; 魏春景, 2016)的研究成果進(jìn)一步支持了這一認(rèn)識(shí)，而且變質(zhì)相平衡模擬研究還得到泥砂質(zhì)巖石在不同溫壓條件下(如無(wú)水熔融、缺流體熔融、有流體熔融和水致熔融)可以分別形成不同成分的花崗質(zhì)巖漿。深熔混合巖和深熔花崗巖形成過(guò)程中的熔體分凝、汲取、運(yùn)移和結(jié)晶過(guò)程中的分離結(jié)晶作用、殘留熔體與殘留體的相互作用等概念的提出(Kriegsman, 2001; Sawyer, 2010)為高級(jí)變質(zhì)巖區(qū)深熔作用的研究提供了極大的理論支持。然而，深熔作用的研究仍困難重重，雖然認(rèn)識(shí)到高級(jí)變質(zhì)巖區(qū)乃至一些造山帶的巖石中密集發(fā)育的長(zhǎng)英質(zhì)脈體是深熔作用的產(chǎn)物，但是這也僅僅只是深熔作用研究的開(kāi)端。大量與深熔作用相關(guān)的問(wèn)題仍需要探索，如深熔花崗巖(限定為原地-半原地花崗巖)的特征及如何識(shí)別，深熔花崗巖的形成過(guò)程或形成機(jī)理，深熔作用與造山作用和殼幔作用之間的關(guān)系等。從此意義而言，高級(jí)變質(zhì)巖區(qū)可以作為研究下地殼地質(zhì)作用的天然實(shí)驗(yàn)室。華北克拉通西部陸塊近東西向孔茲巖帶中，與泥質(zhì)片麻巖在空間上密切共生的石榴花崗巖具有深熔成因的認(rèn)識(shí)已為眾多研究者所公認(rèn)(陶繼雄等, 2002; 楊振升等, 2008; 馬銘珠等, 2015; 石強(qiáng)等, 2018)，但是，石榴花崗巖的深熔作用標(biāo)志、巖漿屬性、深熔作用機(jī)理仍需要進(jìn)一步總結(jié)研究，本文將依據(jù)多年研究和思考對(duì)此進(jìn)行探討。

1 石榴花崗巖區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華北克拉通西部陸塊孔茲巖帶中段的大青山高級(jí)變質(zhì)地體內(nèi)。高級(jí)變質(zhì)地層劃分為新太古代晚期麻粒巖系(桑干巖群)、黑云角閃片麻巖系(烏拉山巖群下亞群)和古元古代晚期孔茲巖系(烏拉巖群上亞群)(徐仲元等, 2007)，SHRIMP鋯石U-Pb測(cè)年在大青山哈德門溝-昆對(duì)溝一帶發(fā)現(xiàn)一套原劃歸為烏拉山巖群上亞群榴云片麻巖巖組的石榴黑云母片麻巖、含夕線堇青石榴黑云母片麻巖、石榴長(zhǎng)英片麻巖夾夕線石英巖、磁鐵石英巖等巖石組合，獲取變質(zhì)鋯石年齡為～2.45Ga，而不同于孔茲巖系中的～1.95Ga和～1.85Ga變質(zhì)年齡，因此命名大青山表殼巖(Dongetal., 2014)，現(xiàn)在認(rèn)為形成于新太古代晚期(張琳等, 2016)。變質(zhì)深成巖漿巖劃分為新太古代晚期紫蘇花崗巖、石英閃長(zhǎng)質(zhì)-英云片麻巖和石榴花崗巖(馬銘株等, 2013)。

上述變質(zhì)地層都遭受不同程度的變質(zhì)-深熔作用改造，其中大青山表殼巖受到的改造最為強(qiáng)烈，大部分石榴黑云母片麻巖中含石榴長(zhǎng)英質(zhì)條帶十分發(fā)育，局部形成厚度不等的石榴花崗巖巖層，與含石榴長(zhǎng)英質(zhì)條帶平行，規(guī)模最大的石榴花崗巖分布于包頭市西北側(cè)的平方溝-哈德門溝-昆對(duì)溝一帶；黑云角閃片麻巖系和古元古代晚期孔茲巖系中的透輝片麻巖巖組，這兩套地層中長(zhǎng)英質(zhì)條帶也十分發(fā)育，局部寬度可達(dá)10cm。這些巖石均遭受近東西向陡傾葉理帶的改造，以十分發(fā)育的陡傾葉理和局部發(fā)育的葉內(nèi)褶皺為特征，局部保留十分平緩的早期變形構(gòu)造。

2 野外地質(zhì)特征

哈德門溝石榴花崗巖及大青山表殼巖分布于包頭市北側(cè)的平方溝-哈德門溝-昆對(duì)溝一帶(圖1)，在平面上呈不規(guī)則的條帶狀，斷續(xù)延伸10km左右。其在山脊上寬度較大，最寬可達(dá)500m，而在山溝里寬度急劇縮小，猶如長(zhǎng)軸為東西向的近水平扁豆體漂浮在下伏麻粒巖系和大青山表殼巖之上。由于后期近東西向陡傾葉理帶的改造，多處可見(jiàn)哈德門溝石榴花崗巖及大青山表殼巖與下伏麻粒巖系之間相互穿插，但有些地方還保留著十分平緩的界面(圖2)，石榴花崗巖體中局部也保存了近水平的片麻理。消除后期近東西向陡傾葉理帶的影響后，可以發(fā)現(xiàn)哈德門溝石榴花崗巖及大青山表殼巖在空間上密切共生。野外觀察發(fā)現(xiàn)，哈德門溝石榴花崗巖與大青山表殼巖是漸變過(guò)渡的，根據(jù)淺色體的形態(tài)、規(guī)模和分布特點(diǎn)，可以劃分為石榴黑云母片麻巖帶、深熔石榴黑云母片麻巖帶和石榴花崗巖帶(圖2a, b)。

圖1 華北克拉通北緣大青山高級(jí)變質(zhì)地體構(gòu)造位圖(a、b)、包頭市哈德門溝地區(qū)(c)和昆對(duì)溝地區(qū)(d)地質(zhì)簡(jiǎn)圖及采樣位置Fig.1 Distribution of the Daqingshan high grade metamorphic terrane (a, b), the geological maps and the sample location of the Hademengou (c) and Kunduigou (d) areas in Baotou, the north margin of North China Craton

圖2 華北克拉通北緣包頭哈德門溝地區(qū)大青山表殼巖中石榴黑云母片麻巖-石榴花崗巖地質(zhì)剖面圖(a、b)以及剖面上局部放大特征(c-h)(a、b)哈德門溝地質(zhì)剖面；(c)退變中基性麻粒巖被灰白色含石榴花崗巖脈灌入；(d)灰色石榴黑云母片麻巖中的灰白色含石榴花崗巖淺色體及其中的石榴石集合體(樣品HD-4)；(e)灰色石榴黑云母片麻巖中的灰白色石榴花崗巖淺色體，石榴石多成集合體產(chǎn)出；(f)灰白色石榴花崗巖大量出現(xiàn)，并且其中包含不規(guī)則狀灰色夕線石榴黑云母片麻巖殘塊或殘影(樣品HD-7)；(g)灰白色石榴花崗巖與灰色石榴黑云母片麻巖共存，石榴花崗巖中規(guī)模較大的石榴石集合體(樣品HD-9)；(h)灰白色石榴花崗巖中的灰色含夕線堇青石榴黑云母片麻巖殘影(樣品HD-10)Fig.2 Geological sections of Daqingshan supracrustal rocks, garnet biotite gneiss and garnet granite in the Hademengou area, Baotou, northern margin of the North China Craton (a, b) and local magnification characteristics (c-h)

石榴黑云母片麻巖帶分布于石榴花崗巖的外圍，以條帶狀石榴黑云母片麻巖夾含夕線菫青石榴黑云母片麻巖為特征，巖石中含石榴長(zhǎng)英質(zhì)條帶發(fā)育，灰白色，寬多為0.5～1cm，其中石榴石粒度巨大，而長(zhǎng)石和石英粒度僅為0.1～0.3cm，基質(zhì)中黑云母含量較高，定向形成片麻理。

深熔石榴黑云母片麻巖帶以規(guī)模不等的石榴花崗巖團(tuán)塊和石榴黑云母片麻巖混雜產(chǎn)出為特征，石榴花崗巖團(tuán)塊已具有石榴花崗巖的基本特征，并有如下特點(diǎn)：①形態(tài)上，石榴花崗巖團(tuán)塊表現(xiàn)為不規(guī)則團(tuán)塊狀和鉤狀，局部露頭上表現(xiàn)為長(zhǎng)軸呈近水平的扁豆體，為熔體線理；②大多數(shù)石榴石都發(fā)育在石榴花崗巖團(tuán)塊中，粒度較大，有些匯聚成富石榴石集合體，局部甚至表現(xiàn)為富石榴石團(tuán)塊周圍被大片長(zhǎng)英質(zhì)花崗巖包圍的現(xiàn)象(圖2d, f, h)；③向著高度深熔帶方向，石榴花崗巖團(tuán)塊的規(guī)模逐漸變大，數(shù)量增多，以致于石榴黑云母片麻巖呈殘影產(chǎn)出，同時(shí)石榴花崗巖中的富石榴石團(tuán)塊規(guī)模也逐漸變大(圖2a, e)。

石榴花崗巖帶以大量的石榴花崗巖發(fā)育為特點(diǎn)，這些石榴花崗巖最大的特征是富含石榴石，含量15%～20%，局部可達(dá)30%。巖性不均勻，部分含黑云母，多呈弱片麻狀或塊狀構(gòu)造，巖性和成分具有微觀均勻，宏觀變化較大的特點(diǎn)。巖體中含石榴黑云母片麻巖殘影和麻粒巖包體、磁鐵石英巖包體、富石榴石團(tuán)塊(或殘留體)和石英脈團(tuán)塊，形態(tài)各樣，規(guī)模不等。

3 巖相學(xué)特征

大青山表殼巖的巖石組成以石榴黑云母片麻巖和含夕線堇青石榴黑云母片麻巖(圖3a-c)為主，夾石榴長(zhǎng)英片麻巖、石榴夕線石英巖、磁鐵石英巖等。

圖3 華北克拉通包頭地區(qū)大青山表殼巖石榴黑云母片麻巖和石榴花崗巖鏡下顯微照片該區(qū)也遭受古元古代晚期的構(gòu)造熱事件，巖相學(xué)特征在多大程度上仍反映了原深熔作用特征.(a)夕線石榴黑云母片麻巖中石榴石包體礦物和基質(zhì)礦物鏡下特征(樣品KD-13)；(b)含夕線堇青石榴黑云母片麻巖中石榴石被Crd+Q+Sil+Pl等礦物包圍(KD-17)；(c)含夕線堇青石榴黑云母片麻巖中堇青石和石英條帶特征(樣品P3-15)；(d)石榴混合閃長(zhǎng)巖中榴石Pl+Q+Bt包體礦物組合特征(樣品HD-5)；(e)石榴混合石英閃長(zhǎng)巖石榴石邊部通過(guò)“逆反應(yīng)”形成的黑云母(樣品HD9-1)；(f)石榴混合花崗閃長(zhǎng)巖鏡下巖相學(xué)特征(樣品HD9-10).Gt-石榴石；Bt-黑云母；Q-石英；Pl-斜長(zhǎng)石；Kfs-鉀長(zhǎng)石；Sil-夕線石；Crd-堇青石；Ilm-鈦鐵礦；Mt-磁鐵礦Fig.3 Photomicrographs of the Daqingshan supracrustal rocks, garnet biotite gneiss and garnet granite in Baotou area of the NCC

這些泥質(zhì)片麻巖中基本礦物組成為石榴石(10%～15%)，黑云母 (10%～15%)，石英(15%～20%)，條紋長(zhǎng)石和反條紋長(zhǎng)石(40%～45%)，夕線石(0～5%)，堇青石(<5%)，磁鐵礦(<1%) 等，中細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造或條帶狀構(gòu)造。其中石榴石多呈變斑晶產(chǎn)于長(zhǎng)英質(zhì)條帶中，有時(shí)包體較多，黑云母以紅褐色或紅棕色為主。

相反，石榴花崗巖則具有與之完全不同的巖貌，富含石榴石(15%～30%)，這也是整個(gè)孔茲巖帶中大部分石榴花崗巖的主要特征，其粒度較大，可達(dá)5～8mm，呈他形-半自形，具有篩狀變晶結(jié)構(gòu)或包含變晶結(jié)構(gòu)，包含有細(xì)粒石英、斜長(zhǎng)石和紅棕色黑云母等礦物，少量石榴石還包含有柱狀夕線石(圖3f)。除此之外，巖石中主要礦物為：黑云母(1%～5%)、斜長(zhǎng)石(30%～60%)、微斜長(zhǎng)石(5%～35%)、石英(5%～25%)。斜長(zhǎng)石呈半自形-他形，微斜長(zhǎng)石呈他形-半自形，石英他形，部分巖石中石英有拉長(zhǎng)、定向。另外還有獨(dú)居石、磷灰石和鋯石等副礦物。野外和鏡下觀察結(jié)果表明，這些石榴花崗巖的礦物成分變化較大，結(jié)構(gòu)構(gòu)造也有較大差異。根據(jù)礦物含量及結(jié)構(gòu)特征，將石榴花崗巖細(xì)分為石榴混合閃長(zhǎng)巖(表1，石榴石25%～30%，斜長(zhǎng)石55%～60%，石英5%，黑云母1%～5%)、石榴混合石英閃長(zhǎng)巖(表1，石榴石20%～25%，長(zhǎng)石50%～55%，石英10%～15%，黑云母1%～5%)和石榴混合花崗閃長(zhǎng)巖 (表1，石榴石15%～20%，長(zhǎng)石50%～55%，石英15%～20%，黑云母1%～5%)，但整體上具有花崗巖的特征，塊狀-弱片麻狀，花崗變晶結(jié)構(gòu)。在石榴花崗巖體中，除石榴石集合體(殘留體)外，還有磁鐵石英巖、麻粒巖等殘留體和石榴黑云母片麻巖殘影等。

表1 包頭地區(qū)哈德門溝石榴花崗巖的主要礦物組成(vol%)和地球化學(xué)特征(wt%)Table 1 Comparison of mineral composition (vol%) and geochemical characteristics (wt%) of the garnet granites in Baotou area

4 樣品采集與分析方法

4.1 樣品采集

本次工作在包頭市昆對(duì)溝(91-1、91-2、p1-13、p1-14、p1-2、p2-15、p2-18、p3-15、p3-2、p3-6、p3-3、p6-21、KD-13、KD-17)和哈德門溝(HD-4、WD8-1)共計(jì)獲得16件大青山表殼巖石榴黑云母片麻巖樣品；昆對(duì)溝(KD-9、KD-10)和平方溝-哈德門溝-烏蘭不浪溝(PF-1、PF-2、PF-3、HB-1、B72-2、B72-3、B72-4、B72-6、B72-8、b7-1、b7-2、LH1、D72-2、B7211、B7204、5p-28、5p-29、HD-5、HD-7、HD-9、HD-10、HD9-1、HD9-2、HD9-10)共計(jì)采集26件石榴花崗巖樣品。對(duì)這些樣品進(jìn)行主量、微量元素地球化學(xué)分析。SHRIMP鋯石U-Pb定年樣品WL18-1(石榴花崗巖)采自烏蘭不浪溝(40°41′15″N、109°30′25″E)和KDG1912(石榴黑云母片麻巖)采自昆對(duì)溝(40°48′44″N、110°15′33″E)。

4.2 分析方法

巖石地球化學(xué)分析工作在澳實(shí)分析檢測(cè)(廣州)有限公司完成。主量元素在等離子光譜儀上分析，微量元素和稀土元素則由等離子體質(zhì)譜儀完成。測(cè)試的相關(guān)流程簡(jiǎn)述如下：取破碎后經(jīng)均勻攪拌的新鮮巖石樣品300g，進(jìn)一步不斷研磨至200目(75μm)來(lái)進(jìn)行主量元素和微量元素的分析測(cè)試。主量元素測(cè)定需要經(jīng)過(guò)樣品煅燒、加入助溶劑、加熱至完全熔融混合后，由X-射線熒光光譜法(XRF)測(cè)定，利用重鉻酸鉀滴定法測(cè)定Fe2+含量。微量元素和稀土元素測(cè)定同樣需要加入助熔劑、加熱至完全熔融混合，冷卻后定容，采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定。

巖石樣品送至河北省廊坊市區(qū)域地質(zhì)調(diào)查所進(jìn)行鋯石分選，制靶和陰極發(fā)光圖像采集均在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所北京離子探針中心完成，制靶流程依文獻(xiàn)(宋彪等, 2002)。SHRIMP鋯石U-Pb測(cè)年在北京離子探針中心SHRIMP Ⅱ二次離子探針質(zhì)譜儀上完成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一次流強(qiáng)度控制為7.5nA，加速電壓為10kV，離子束斑直徑為25～30μm。利用標(biāo)準(zhǔn)鋯石TEMORA進(jìn)行同位素分餾校正(參考年齡為417Ma, Blacketal., 2003)。實(shí)驗(yàn)原理和流程參照Williams (1998)和宋彪等(2002)。數(shù)據(jù)處理過(guò)程中應(yīng)用實(shí)測(cè)204Pb校正鋯石中的普通鉛。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差均為1σ，因?yàn)槟挲g大于1000Ma，參照206Pb/207Pb年齡。

5 地球化學(xué)

5.1 主量元素

石榴花崗巖和石榴黑云母片麻巖主量元素、微量元素及稀土元素分析結(jié)果見(jiàn)表2，二者SiO2含量十分接近。石榴黑云母片麻巖Al2O3、FeOT和MgO含量分別為13.98%～22.4%、2.11%～7.79%、0.46%～3.09%，TiO2、Na2O、CaO和P2O5含量分別為0.28%～1.20%、2.08%～4.14%、0.75%～3.41%、0.03%～0.38%。然而，石榴花崗巖Al2O3、FeOT和MgO含量分別為13.02%～20.02%、0.70%～12.41%和0.14%～3.81%，TiO2、Na2O、CaO和P2O5含量分別為0.04%～1.11%、1.80%～4.03%、0.78%～4.21%和0.02%～0.50%。石榴花崗巖整體表現(xiàn)出TiO2、Na2O、CaO、P2O5和Nb含量較石榴黑云母片麻巖相對(duì)虧損的特征，同時(shí)K2O和MnO含量變化較大分別為0.40%～5.66%和0.01%～0.19%(石榴黑云母片麻巖分別為1.11%～5.82%和0.04%～0.15%)。石榴花崗巖具有相對(duì)富鈣、富鈉的特點(diǎn)，K2O/Na2O比值為0.32～2.07，K2O含量為0.87%～5.62%，具有高鉀質(zhì)花崗巖特征，K2O+Na2O總量為2.20%～9.45%，鋁飽和指數(shù)A/CNK=1.04～2.68(圖4b)，具有亞堿性系列的過(guò)鋁質(zhì)S型花崗質(zhì)巖石(圖4a)。

圖4 包頭地區(qū)石榴花崗巖和大青山表殼巖石榴黑云母片麻巖的(K2O+Na2O)-SiO2圖解(a, 底圖據(jù)Jensen and Meckling, 1976)和A/CNK-A/NK圖解(b, 底圖據(jù)Morrison, 1980)Fig.4 The diagram of K2O+Na2O vs. SiO2 (a, base map after Jensen and Meckling, 1976) and A/CNK vs. A/NK (b, base map after Morrison, 1980) in the Daqingshan supracrustal rocks, garnet biotite gneisses and garnet granites in Baotou area

5.2 微量、稀土元素

哈德門溝-昆對(duì)溝石榴花崗巖與石榴黑云母片麻巖的稀土元素配分模式相似，具有輕稀土元素富集，重稀土元素虧損的特征，(La/Yb)N=1.54～86.9，表現(xiàn)為典型的右傾稀土元素配分模式(圖5a, c)，特別是哈德門溝石榴混合閃長(zhǎng)巖具有稀土元素配分曲線尾部上揚(yáng)，富集重稀土元素的特點(diǎn)(圖5a)。但仍存在一定變異性，石榴花崗巖稀土元素總量(∑REE=74.83×10-6～237.9×10-6)相對(duì)石榴黑云母片麻巖偏低(∑REE=102.2×10-6～449.0×10-6)，特別是從哈德門溝石榴混合閃長(zhǎng)巖→石榴混合石英閃長(zhǎng)巖→石榴混合花崗閃長(zhǎng)巖，稀土元素總量具有逐漸降低的趨勢(shì)(圖5a)。根據(jù)Eu元素的異常特征將石榴花崗巖稀土元素配分模式曲線分為Eu富集型(Eu/Eu*=1.04～5.36)和Eu虧損型兩種 (Eu/Eu*=0.29～0.99)(圖5a, c)，然而石榴黑云母片麻巖幾乎均具有Eu虧損型特點(diǎn)(Eu/Eu*=0.45～0.94)，僅有個(gè)別樣品為富集型(Eu/Eu*=1.10～1.16)。原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中，哈德門溝-昆對(duì)溝石榴花崗與石榴黑云母片麻巖微量元素蛛網(wǎng)圖曲線配分相似，微量元素含量較石榴黑云母片麻巖略微減少，均富集大離子親石元素K和Ba，高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta、P、Ti、Th等相對(duì)虧損(圖5b, d)。

圖5 包頭地區(qū)哈德門溝-昆對(duì)溝一帶石榴花崗巖與石榴黑云母片麻巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(a、c)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b、d)(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù) Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a, c) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b, d) in garnet granites and garnet biotite gneisses in Baotou area (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

6 鋯石定年

6.1 石榴花崗巖(樣品WL18-1)

陰極發(fā)光圖像顯示鋯石形態(tài)多樣，大部分呈渾圓狀和近似橢圓狀，粒徑多數(shù)在100～200μm之間，長(zhǎng)寬比多數(shù)為1:1～2:1。鋯石具有核-幔-邊結(jié)構(gòu)，核部鋯石具有典型的巖漿振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)，認(rèn)為可能代表了深熔源巖形成年齡 (Koschek, 1993)，但是由于受到后期麻粒巖相變質(zhì)作用的改造，巖漿震蕩環(huán)帶普遍變得模糊(圖6a, 9.1C)。5個(gè)具有模糊巖漿振蕩環(huán)帶的核部鋯石U-Pb分析點(diǎn)(2.1C, 3.1C, 9.1C, 10.1C, 11.1C)獲得207Pb/206Pb年齡為2120～2494Ma，Th和U含量分別為79.3×10-6～303×10-6和127×10-6～516×10-6，具有變化范圍相對(duì)較大的Th/U值，大部分在0.01～0.68之間(表3)，認(rèn)為是殘留鋯石并受到后期變質(zhì)作用改造。幔部鋯石大部分呈灰黑色，具有變質(zhì)成因鋯石特征(1.2M, 7.2M, 9.2M, 11.2M)，包裹核部巖漿成因的殘留鋯石，Th和U的含量分別為4×10-6～126×10-6和96×10-6～1072×10-6，Th/U比值為0.01～0.48(表3)，測(cè)試結(jié)果同核部鋯石相近，獲得207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為2485±9Ma，其余幔部鋯石均受到后期變質(zhì)事件的不同程度的影響(2.2M, 4.2M, 8.2M, 10.2M, 11.2M, 12.2M)。邊部鋯石圍繞核部和幔部鋯石，主要是灰白色且具有隱約的巖漿震蕩環(huán)帶，具有深熔成因鋯石的典型特征 (3.3R, 4.3R, 9.3R)，Th和U的含量分別為31×10-6～38×10-6和102×10-6～224×10-6，Th/U比值集中在0.01～0.40之間，邊部深熔成因鋯石獲得207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為2434±6Ma(MSWD=1.2，表3、圖6b)。另外一些邊部鋯石數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離諧和曲線，獲得207Pb/206Pb年齡為1994±23Ma～2336±22Ma之間，僅有1個(gè)點(diǎn)獲得年齡1994±23Ma(1.3R)比較靠近諧和曲線，代表受到古元古代變質(zhì)事件的影響。

6.2 石榴黑云母片麻巖(樣品KDG1912)

陰極發(fā)光圖像顯示鋯石的粒徑多數(shù)在50～120μm之間，長(zhǎng)寬比值多數(shù)為1:1～1:1.5，呈近似渾圓狀和橢圓狀。鋯石具有典型的核-邊結(jié)構(gòu)，核部鋯石具有隱約的巖漿振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)，可能代表源巖形成的巖漿年齡 (Koschek, 1993)，受到后期麻粒巖相變質(zhì)作用的改造，環(huán)帶普遍變得渾濁和模糊 (圖6c,13.1,14.1, 15.1)。核部鋯石僅獲得了2個(gè)U-Pb年齡分析數(shù)據(jù)(10.1C, 21.1C)，207Pb/206Pb年齡分別為2425±23Ma和2527±7Ma，U和Th含量分別為263×10-6～349×10-6和106×10-6～122×10-6，具有相對(duì)較大的Th/U值(0.36～0.42)(表3)，認(rèn)為受到后期不同程度變質(zhì)作用的改造。邊部鋯石呈灰白色，包裹核部鋯石，具有變質(zhì)成因鋯石特征 (圖6c, 3.1R, 13.1R, 14.1R, 15.1R, 16.1R, 18.1R)，部分鋯石與石榴花崗巖變質(zhì)深熔成因鋯石陰極發(fā)光圖像特征相似，Th和U的含量分別為4×10-6～13×10-6和284×10-6～350×10-6，Th/U的比值為0.01～0.09，10個(gè)邊部變質(zhì)成因鋯石獲得加權(quán)平均年齡為2367±8Ma(MSWD=1.4，圖6d)，獲得不一致線上交點(diǎn)年齡為2354±16Ma(MSWD=0.54，圖6d)。此外，仍有一些邊部鋯石獲得207Pb/206Pb年齡為1982±16Ma～2267±7Ma之間，幾乎所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均偏離諧和曲線，僅有1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)落在諧和曲線上并獲得207Pb/206Pb年齡為1982±16Ma(17.1R)，代表樣品受到古元古代變質(zhì)事件的影響。

表3 包頭地區(qū)石榴花崗巖和大青山表殼巖石榴黑云母片麻巖樣品SHRIMP鋯石U-Pb分析結(jié)果Table 3 SHRIMP U-Pb dating data of zircons from garnet granite and Daqingshan supracrustal rock, garnet biotite gneisses in the Baotou area

圖6 包頭地區(qū)石榴花崗巖和石榴黑云母片麻巖樣品鋯石CL圖像和鋯石U-Pb諧和圖(a、b)石榴花崗巖(WL18-1)，包頭市西烏蘭不浪溝；(c、d)石榴黑云母片麻巖(KDG1912)，包頭市東昆對(duì)溝Fig.6 CL image of zircon and SHRIMP U-Pb concordia data for typical zircon of the garnet granite and garnet-biotite gneisses in the Baotou area

7 討論

7.1 變質(zhì)作用與深熔作用時(shí)代確定

微區(qū)鋯石U-Pb定年技術(shù)目前已經(jīng)十分成熟，前人對(duì)不同巖石類型中不同成因鋯石的形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及Th/U比值等都進(jìn)行過(guò)研究和總結(jié)(Rubattoetal., 2002; Geisleretal., 2007; Dongetal., 2017)。石榴黑云母片麻巖(KDG1912)中變質(zhì)成因鋯石獲得207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為2367±8Ma，石榴花崗巖(WL18-1)中深熔成因鋯石獲得207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為2434±6Ma。本次研究與前人成果具有高度的一致性，以往在哈德門溝-昆對(duì)溝一帶石榴花崗巖中獲得～2.46Ga、～2.45Ga、～2.39Ga變質(zhì)深熔鋯石年齡，大青山表殼巖中獲得～2.45Ga、～2.44Ga、～2.40Ga、～2.37Ga變質(zhì)鋯石年齡，野外露頭中近水平的滑脫變形構(gòu)造保存較好；然而昆對(duì)溝一帶大青山表殼巖和石榴花崗巖中普遍受到古元古代晚期構(gòu)造事件影響，獲得～1.95Ga變質(zhì)鋯石年齡(Wanetal., 2006, 2009, 2013; Dongetal., 2013, 2014)，遭受近東西向陡傾葉理帶的改造，僅有局部保留十分平緩的早期變形構(gòu)造。

鑒于對(duì)石榴花崗巖是石榴黑云母片麻巖深熔熔體與殘留體、殘留礦物相、轉(zhuǎn)熔礦物相逐漸分離產(chǎn)物的證據(jù)已經(jīng)十分充分。但是對(duì)于能否簡(jiǎn)單的將石榴花崗巖的變質(zhì)深熔事件時(shí)代確定在2.45～2.37Ga之間還有待進(jìn)一步探討，具體的原因主要包括以下方面：①石榴花崗巖的結(jié)晶年齡和石榴黑云母片麻巖的變質(zhì)年齡相差將近100Myr，難免令人覺(jué)得不可思議，說(shuō)明這些鋯石樣品年齡的不均勻性和時(shí)間上的不一致，因此年齡所代表的實(shí)際地質(zhì)意義需要做進(jìn)一步討論；②石榴花崗巖樣品中核部鋯石獲得加權(quán)平均年齡為2485±9Ma，但是陰極發(fā)光圖像下顯示這些核部鋯石環(huán)帶普遍變的模糊，明顯受到后期變質(zhì)事件的影響，同時(shí)在石榴黑云母片麻巖中核部鋯石獲得一個(gè)年齡數(shù)據(jù)為2527±10Ma且位于諧和曲線上，說(shuō)明原巖的時(shí)代可能要遠(yuǎn)早于～2.5Ga。③同古老的碎屑鋯石一樣，古老的變質(zhì)鋯石同樣容易受到后期變質(zhì)事件的改造，石榴花崗巖和石榴黑云母片麻巖樣品中部分邊部鋯石獲得～1.98Ga年齡且靠近諧和曲線，部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)在諧和圖上沿諧和線平行且分散分布，說(shuō)明這些巖石雖然沒(méi)有受到古元古代晚期(～1.95Ga)構(gòu)造熱事件完全改造，但是卻受到了一定程度的影響(Dongetal., 2014)。④盡管石榴黑云母片麻巖樣品邊部鋯石獲得了2367±8Ma加權(quán)平均年齡，但在樣品中單個(gè)鋯石測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)仍獲得2456±18Ma變質(zhì)年齡，且位于諧和線上。同樣的，石榴花崗巖中獲得2434±6Ma加權(quán)平均年齡，但單個(gè)鋯石顆粒邊部變質(zhì)成因鋯石仍獲得207Pb/206Pb鋯石U-Pb年齡為2416±11Ma和2466±5Ma，且均位于諧和線上。前人在大青山哈德門溝-昆對(duì)溝一帶石榴花崗巖中獲得～2.46Ga、～2.45Ga、～2.39Ga 變質(zhì)深熔鋯石年齡，在大青山表殼巖石榴黑云母片麻巖中獲得～2.45Ga、～2.44Ga、～2.40Ga、～2.37Ga變質(zhì)鋯石年齡(Wanetal., 2009; Dongetal., 2014)。綜上所述，認(rèn)為大青山地區(qū)新太古代晚期巖石中的鋯石普遍受到了后期構(gòu)造-熱事件的影響，同位素體系發(fā)生了不完全重置，使得多數(shù)年齡值(沿著諧和線)降低，反映的是地質(zhì)意義不明確的混合年齡，而諧和線上最大的表面年齡值可能接近原巖或事件年齡，本文石榴花崗巖的變質(zhì)深熔事件的時(shí)代可能更早。近年來(lái)的研究也進(jìn)一步證實(shí)這一觀點(diǎn)，張琳等(2016)在烏拉山地區(qū)早前寒武紀(jì)巖漿作用與變質(zhì)作用的研究中率先提出大青山表殼巖可能形成于新太古代晚期，萬(wàn)渝生等(2020)研究認(rèn)為華北克拉通最重要的太古宙構(gòu)造熱事件出現(xiàn)在新太古代晚期(2.49～2.53Ga)，一些地區(qū)存在古元古代早期的年齡記錄，但并不是真實(shí)的構(gòu)造熱事件存在，而是由于古元古代晚期構(gòu)造熱事件強(qiáng)烈疊加改造的緣故。因此認(rèn)為區(qū)內(nèi)石榴花崗巖變質(zhì)深熔作用發(fā)生在2.43Ga之前，可能形成于新太古代晚期，部分地區(qū)受到～1.95Ga構(gòu)造熱事件影響。

7.2 石榴花崗巖地球化學(xué)特征及含義

石榴花崗巖與石榴黑云母片麻巖在空間上密切共生，地球化學(xué)特征具有一定的繼承性，差異性則表現(xiàn)為石榴花崗巖成分的不均一性。以包頭哈德門溝一條剖面上的石榴花崗巖為例，巖性變化較大，主要的礦物含量和地球化學(xué)特征各異，這是深熔花崗巖的典型特征之一。石榴混合閃長(zhǎng)巖偏中基性，SiO2的含量為56.63%～64.40%，具有低K2O、Na2O和CaO的特點(diǎn)，同時(shí)Al2O3、FeO、MgO和MnO含量相對(duì)較高(圖7)。相反，石榴混合石英閃長(zhǎng)巖和石榴混合花崗閃長(zhǎng)巖屬于偏中酸性，SiO2的含量分別為：62.11%～67.61%和69.58%～72.32%，具有Na2O和CaO組分含量相對(duì)較高的特點(diǎn)；同時(shí)具有Al2O3、FeO、K2O、MgO和MnO等組分含量相對(duì)較低的特點(diǎn)(表1)。

石榴混合閃長(zhǎng)巖→石榴混合石英閃長(zhǎng)巖→石榴混合花崗閃長(zhǎng)巖SiO2和Na2O含量具有增大的趨勢(shì)，K2O、Al2O3、FeO、MgO和MnO具有減小的趨勢(shì)。低K2O、Na2O、CaO的石榴混合閃長(zhǎng)巖與低K2O、高Na2O、CaO的石榴混合石英閃長(zhǎng)巖和石榴混合花崗閃長(zhǎng)巖稀土元素方面具有一定的差異性，具體表現(xiàn)如下：①稀土總量方面：石榴混合閃長(zhǎng)巖稀土元素總量較高(∑REE=87.6×10-6～500.2×10-6)，石榴混合石英閃長(zhǎng)巖(∑REE=207.4×10-6～492.1×10-6)和石榴混合花崗閃長(zhǎng)巖稀土元素總量相對(duì)較低(∑REE=126.1×10-6～188.6×10-6)。②Eu異常特征方面：幾乎所有樣品均具有Eu富集型和Eu近平坦型稀土配分曲線(圖5)，石榴混合閃長(zhǎng)巖Eu/Eu*值為1.00～5.36，石榴混合石英閃長(zhǎng)巖和石榴混合花崗閃長(zhǎng)巖Eu/Eu*值分別為1.27～4.54和0.99～2.33。③樣品的稀土元素配分曲線分餾程度較高，但平方溝獲取的1件石榴混合閃長(zhǎng)巖和2件石榴混合石英閃長(zhǎng)巖樣品具有明顯的重稀土富集特征，表現(xiàn)為稀土元素配分曲線尾部翹起，可能與樣品中石榴子石、磷灰石和鋯石等礦物含量有關(guān)。與其他樣品相比，平方溝3件富集重稀土元素樣品具有相對(duì)較高的Zr含量(270×10-6～411×10-6，平均值：298×10-6)和相對(duì)較低的P含量(74×10-6～87×10-6)，進(jìn)一步證明鋯石對(duì)樣品稀土元素配分曲線具有一定的影響，對(duì)應(yīng)樣品的稀土元素總量為：154.5×10-6～500.2×10-6(平均值：217.7×10-6)。暗示在熔體的形成過(guò)程中，石榴黑云母片麻巖殘留體、石榴石和黑云母等殘留礦物與熔體沒(méi)有發(fā)生完全分離，進(jìn)一步推斷熔體沒(méi)有經(jīng)歷運(yùn)移或者僅僅只是經(jīng)歷較近距離的運(yùn)移，說(shuō)明石榴花崗巖原地-近原地屬性。

圖7 包頭地區(qū)哈德門溝-昆對(duì)溝石榴花崗巖與大青山表殼巖石榴黑云母片麻巖Hark圖解Fig.7 The Hark diagrams of garnet granite and Daqingshan supracrustal rocks, garnet biotite gneiss in the NCC

這種具有Eu富集型和Eu虧損型共存的稀土模式配分曲線的石榴花崗質(zhì)巖石在納米比亞的Damara中央造山帶和芬蘭南部的Turku地區(qū)也有發(fā)現(xiàn)，Jungetal. (2000a)研究認(rèn)為Eu富集型樣品是Eu虧損型樣品進(jìn)一步分離結(jié)晶作用的產(chǎn)物，分別代表殘留熔體和早期長(zhǎng)英質(zhì)堆積。但不同的是，本文樣品SiO2的含量為56.63%～73.34%，石榴混合花崗閃長(zhǎng)巖部分SiO2>70%，這與納米比亞的Damara中央造山帶和芬蘭南部的Turku地區(qū)花崗巖樣品普遍SiO2>70%不完全一致。本文的研究表明石榴花崗巖不同類型(石榴混合閃長(zhǎng)巖、石榴混合石英閃長(zhǎng)巖、石榴混合石花崗閃長(zhǎng)巖)是熔體與殘留體、殘留礦物相不同程度分離所形成，具體證據(jù)如下：①巖石學(xué)、巖相學(xué)和地球化學(xué)特征更支持其為深熔熔體與殘留體、殘留礦物相逐漸分離的產(chǎn)物；②實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究表明MgO和FeO在過(guò)鋁花崗巖中的溶解度分別為0.22%～0.9%和1.27%～3.01% (Jungetal., 2000b)，本文樣品MgO和FeO的含量分別為1.05%～3.81%(僅3個(gè)樣品為0.1%、0.19%、0.99%)和3.13%～12.41%(僅3個(gè)樣品為0.70%、2.36%、2.78%)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶解度，說(shuō)明鎂鐵礦物至少有一部分是深熔的殘留礦物相。③石榴混合閃長(zhǎng)巖→石榴混合石英閃長(zhǎng)巖→石榴混合花崗閃長(zhǎng)巖，殘留礦物相逐漸減少(紅棕色熔蝕狀黑云母及同源包體)，能夠反映深熔熔體與殘留體、殘留礦物相逐漸分離的過(guò)程，殘留體不斷的停留在“原地”。

7.3 深熔作用模式和機(jī)理

7.3.1 深熔源巖和熔融屬性

深熔作用的發(fā)生和熔融程度不僅與溫度、壓力和流體等因素有關(guān)，還取決于變質(zhì)巖原巖的可熔性(Kriegsman, 2001; 楊振升等，2008)，前人研究認(rèn)為巖石的可熔性主要與參與熔融巖石的巖性和巖石物理性質(zhì)有關(guān)。在同一環(huán)境下，不同變質(zhì)巖原巖發(fā)生熔融的程度不同。哈德門溝-昆對(duì)溝石榴花崗巖圍巖的巖性主要為石榴黑云母片麻巖和含夕線堇青石榴黑云母片麻巖。圍巖的深熔程度相對(duì)較高，深熔淺色體與暗色體條帶十分發(fā)育，Hark圖解顯示石榴花崗巖地球化學(xué)組分特征與深熔源巖的酸性端元相當(dāng)；但哈德門溝石榴花崗巖中的磁鐵石英巖、中性麻粒巖和石榴石英巖等殘留體深熔程度卻相對(duì)較低，保存較好。這些現(xiàn)象都可以說(shuō)明深熔作用對(duì)其源巖具有一定的選擇性，結(jié)合地球化學(xué)特征，認(rèn)為包頭市哈德門溝-昆對(duì)溝一帶石榴花崗巖主要是由大青山表殼巖中石榴黑云母片麻巖的酸性端元發(fā)生熔融形成，這與區(qū)域上前人報(bào)道的石榴花崗巖是孔茲巖帶中富鋁片麻巖酸性端元深熔的認(rèn)識(shí)一致(石強(qiáng)等, 2018)。根據(jù)上述野外巖石學(xué)、巖相學(xué)、地球化學(xué)及鋯石年代學(xué)特征，進(jìn)一步確定大青山表殼巖中石榴黑云母片麻巖是哈德門溝-昆對(duì)溝石榴花崗巖的深熔源巖(宋海峰等, 2005; 吳新偉等, 2013; 馬銘株等, 2015)。

從巖漿巖的角度出發(fā)，過(guò)鋁質(zhì)-強(qiáng)過(guò)鋁質(zhì)花崗巖均來(lái)自深部地殼陸源物質(zhì)的部分熔融，在侵位過(guò)程中，熔體與殘留體分離。但是，對(duì)于殘留體的礦物成分和化學(xué)成分，則有不同的認(rèn)識(shí)：Chappelletal. (1984)最早提出了殘留體分離模型，認(rèn)為許多花崗巖及相關(guān)的火山巖都會(huì)包含一定量源區(qū)未熔融或者未發(fā)生完全熔融的殘留晶體，隨著花崗質(zhì)巖漿聚集、遷移和上升，這些殘留礦物相會(huì)不同程度的從花崗質(zhì)巖漿中分離出來(lái)，造成花崗巖成分上的變化。在大多數(shù)花崗巖中都有殘留礦物的存在，其中最常見(jiàn)的就是殘留鋯石，往往受到熔體溫壓條件和遷移距離等因素的影響，石榴石、黑云母及部分副礦物也會(huì)發(fā)生一定程度的殘留。本文著重對(duì)比研究石榴花崗巖與石榴黑云母片麻巖中石榴石的巖相學(xué)、礦物地球化學(xué)特征，具體如下：①石榴花崗巖與石榴黑云母片麻巖中石榴石特征十分相似，具有柵狀變晶結(jié)構(gòu)，含有大量的包裹體礦物，包體礦物類型極其相似。②從石榴子石的核部到邊部，包體礦物顆粒逐漸變小直至消失；③電子探針數(shù)據(jù)表明石榴花崗巖(石榴石成分環(huán)帶：鐵鋁榴石：0.62～0.66，鎂鋁榴石：0.29～0.33，鈣鋁榴石：0.03～0.04，錳鋁榴石：0.01～0.02)與石榴黑云母片麻巖(石榴石成分環(huán)帶：鐵鋁榴石：0.62～0.68，鎂鋁榴石：0.26～0.32，鈣鋁榴石：0.03～0.04，錳鋁榴石：0.01～0.02)中的石榴石具有相似的成分環(huán)帶(石強(qiáng), 2020)，且邊部鐵鋁榴石成分含量均相對(duì)核部較高，鎂鋁榴石含量相對(duì)較低，普遍發(fā)育擴(kuò)散環(huán)帶，環(huán)帶的發(fā)育程度和樣式不均勻，明顯受到其接觸礦物的影響。以往的研究認(rèn)為石榴石主要是殘留礦物相或轉(zhuǎn)熔礦物相(夏瓊霞, 2019)，如何區(qū)分石榴花崗巖中石榴石的成因則需要進(jìn)一步的探討。石榴石殘留礦物相實(shí)際上就是變質(zhì)成因的石榴石參加熔融反應(yīng)發(fā)生剩余，因此它們幾乎不含包體礦物。而轉(zhuǎn)熔成因的石榴石形成于黑云母的脫水分解，可能發(fā)生反應(yīng)為：Sil+Bt+Qz±Pl→Grt+Kfs+Melt (Patio Douce and Johnston, 1991)或者Bt+Qz+Pl→Grt+Kfs+Melt (Vielzeuf and Montel, 1994)，其中石榴石常會(huì)捕獲轉(zhuǎn)熔反應(yīng)產(chǎn)生的深熔熔體而形成熔體包裹體。石榴花崗巖中石榴石的特征暗示其更可能是轉(zhuǎn)熔反應(yīng)的產(chǎn)物，但并不能完全排除是從深熔源巖石榴黑云母片麻巖中直接繼承到了含有包體的石榴石。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在石榴花崗巖和石榴黑云母片麻巖中隨著深熔的淺色長(zhǎng)英質(zhì)條帶的增多，石榴石含量明顯增多且絕大部分呈定向分布在長(zhǎng)英質(zhì)條帶中，隨著淺色體逐漸增多直至形成石榴花崗巖，石榴石的含量也增多且粒徑增大，這一現(xiàn)象可以說(shuō)明石榴花崗巖中石榴石是由深熔作用過(guò)程中的轉(zhuǎn)熔反應(yīng)形成。

區(qū)內(nèi)石榴花崗巖普遍具有強(qiáng)過(guò)鋁質(zhì)花崗巖的特征，石榴石含量在10%以上，最高可達(dá)30%，與其深熔源巖中的石榴石十分相似，普遍含有石英、斜長(zhǎng)石、黑云母和夕線石等變質(zhì)礦物包體。石榴花崗巖中淺棕褐色黑云母呈放射狀分布在石榴石周圍，應(yīng)為熔體結(jié)晶過(guò)程石榴石與熔體發(fā)生反應(yīng)(逆反應(yīng))的產(chǎn)物，這能很好的解釋石榴石邊部與核部成分存在差異的原因。石榴黑云母片麻巖中含有大量的黑云母和較多的正條紋長(zhǎng)石，而在石榴花崗巖中黑云母和鉀長(zhǎng)石含量明顯減少，這貌似與上文石榴石轉(zhuǎn)熔反應(yīng)產(chǎn)生鉀長(zhǎng)石不符，結(jié)合前人資料認(rèn)為鉀長(zhǎng)石可能再次發(fā)生熔融，但具體熔融反應(yīng)的確定需要進(jìn)一步研究。綜上所述，石榴花崗巖形成的熔融反應(yīng)可能是等溫降壓過(guò)程中的鉀長(zhǎng)石熔融和黑云母熔融，這與魏春景和朱文萍等(2016)研究認(rèn)為深熔作用發(fā)生在麻粒巖相變質(zhì)作用減壓過(guò)程中鉀長(zhǎng)石熔融和黑云母發(fā)生熔融一致。本次年代學(xué)研究結(jié)果表明石榴花崗巖的形成與大青山表殼巖中石榴黑云母片麻巖的早期變質(zhì)作用均為同一期構(gòu)造熱事件的產(chǎn)物，具有密切的成因聯(lián)系，石榴黑云母片麻巖變質(zhì)作用演化對(duì)石榴花崗巖深熔作用研究具有重要的指導(dǎo)意義。石榴石中含有針柱狀的夕線石礦物包體，說(shuō)明深熔作用過(guò)程中的轉(zhuǎn)熔石榴石可能經(jīng)歷了變質(zhì)作用演化的峰期階段。石榴黑云母片麻巖中發(fā)育峰期柱狀夕線石和堇青石，石榴花崗巖中僅發(fā)育極少量柱狀夕線石，且被石榴石環(huán)繞的這一現(xiàn)象也說(shuō)明熔融可能發(fā)生在具有順時(shí)針P-T軌跡的變質(zhì)作用演化峰期及峰期后等溫降壓階段。

7.3.2 深熔作用模式

以往的研究認(rèn)為深熔作用是殼源花崗巖形成的重要方式，會(huì)形成強(qiáng)過(guò)鋁質(zhì)S型花崗巖(翟明國(guó)等, 1996; 馬銘株等, 2015)。哈德門溝實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面上能夠看到石榴黑云母片麻巖、深熔石榴黑云母片麻巖以及石榴花崗巖等深熔作用各階段的產(chǎn)物，這些野外地質(zhì)現(xiàn)象為研究深熔熔體的形成、運(yùn)移以及成巖過(guò)程提供了重要的證據(jù)。其中在深熔石榴黑云母片麻巖中分布大量的石榴花崗巖團(tuán)塊，靠近石榴花崗巖巖體的位置，團(tuán)塊數(shù)量明顯增多，暗示石榴花崗巖是由這些小的團(tuán)塊不斷的匯聚形成，同時(shí)石榴花崗巖中也存在大量石榴黑云母片麻巖包體、殘留體和殘影等。隨著深熔程度的加強(qiáng)，深熔源巖中淺色體和石榴石逐漸增多，巖石塑性越來(lái)越強(qiáng)(McKenzie, 1978; Milordetal., 2001)，在應(yīng)力的作用下使得整個(gè)體系更容易發(fā)生運(yùn)移(劉正宏等, 2008; Labrousseetal., 2011)，殘留體與熔漿未發(fā)生完全分離說(shuō)明巖漿未遠(yuǎn)離物源區(qū)，未發(fā)生充分的“攪拌”，形成哈德門溝一條實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面上存在石榴混合閃長(zhǎng)巖、 石榴混合石英閃長(zhǎng)巖和石榴混合花崗閃長(zhǎng)巖等多種巖石類型，具有原地-半原地花崗巖特征。

SHRIMP鋯石年代學(xué)結(jié)果限定了這期變質(zhì)深熔事件可能發(fā)生在新太古代晚期，與前人報(bào)道的華北克拉通北緣新太古代晚期構(gòu)造熱事件時(shí)代一致(萬(wàn)渝生等, 2020)。哈德門溝-烏蘭不浪溝石榴花崗巖獲得～2.46Ga、～2.45Ga、～2.39Ga變質(zhì)深熔年齡和大青山表殼巖中石榴黑云母片麻巖獲得～2.45Ga、～2.44Ga、～2.40Ga、～2.37Ga變質(zhì)年齡，個(gè)別鋯石還獲得了～1.95Ga變質(zhì)年齡，普遍可以觀察到保存較好的近水平滑脫變形構(gòu)造，整個(gè)石榴花崗巖巖體呈扁豆?fàn)罱脚P在大青山表殼巖和麻粒巖之上，長(zhǎng)英質(zhì)條帶多數(shù)呈水平狀分布；而昆對(duì)溝一帶大青山表殼巖石榴黑云母片麻巖和石榴花崗巖中除了獲得～2.43Ga和～2.37Ga變質(zhì)年齡，普遍還獲得～1.95Ga變質(zhì)鋯石年齡(Wanetal., 2009; Dongetal., 2013, 2014)，遭受近東西向陡傾葉理帶的改造強(qiáng)烈，僅有局部保留十分平緩的早期變形構(gòu)造，可見(jiàn)熔融形成的長(zhǎng)英質(zhì)條帶被近東西向構(gòu)造改造發(fā)生變位(吳新偉, 2007)。但大量的研究表明這些變質(zhì)鋯石年齡普遍受到古元古構(gòu)造熱事件影響而偏低(張琳等, 2016)。徐仲元等(2005, 2007)和吳新偉(2007)做進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)大青山地區(qū)存在一期新太古代晚期近水平順層滑脫變形，礦物組合與區(qū)內(nèi)石榴黑云母片麻巖變質(zhì)作用演化峰期后近等溫減壓階段十分相似，與前文討論的變質(zhì)作用與深熔作用之間的關(guān)系吻合。結(jié)合哈德門溝石榴花崗巖呈扁平的豌豆?fàn)罱疆a(chǎn)出并漂浮在大青山表殼巖石榴黑云母片麻巖之上的特征說(shuō)明其成因與區(qū)內(nèi)近水平順層滑脫變形有關(guān)。前人研究表明，大青山地區(qū)發(fā)育中心多為變質(zhì)深成巖的穹-褶構(gòu)造，且與水平順層滑脫變形關(guān)系密切，代表伸展過(guò)程中深部甚至地幔物質(zhì)上涌的產(chǎn)物(徐仲元等, 2007)，SHRIMP鋯石年代學(xué)研究表明哈德門溝東北2km處的平方溝紫蘇花崗質(zhì)片麻巖形成時(shí)代為新太古代晚期(徐仲元，未發(fā)表數(shù)據(jù))，與石榴花崗巖空間產(chǎn)出關(guān)系密切，進(jìn)一步說(shuō)明石榴花崗巖的深熔事件發(fā)生在新太古代晚期。結(jié)合已有的成果，推測(cè)新太古代晚期構(gòu)造事件導(dǎo)致地殼加厚，深部幔源物質(zhì)發(fā)生上涌，水平順層滑脫變形起到了導(dǎo)熱作用，為深熔作用提供大量的熱，大青山表殼巖中石榴黑云母片麻巖發(fā)生熔融，形成包頭哈德門溝-烏蘭不浪溝-昆對(duì)溝一帶的石榴花崗巖。

8 結(jié)論

通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)深熔石榴花崗巖做相關(guān)的總結(jié)和討論，結(jié)合前人成果，主要得到以下結(jié)論：

(1)石榴花崗巖的巖性具有不均一性，哈德門溝實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面上出現(xiàn)多種巖石類型，同時(shí)與深熔源巖漸變過(guò)渡、密切共生，并含有大量的包體和殘留體。

(2)巖相學(xué)研究表明深熔石榴花崗巖與石榴黑云母片麻巖具有相似的礦物組合，石榴石具有大量的包體礦物，為轉(zhuǎn)熔礦物相，主要與深熔作用過(guò)程中的轉(zhuǎn)熔反應(yīng)有關(guān)。

(3)石榴花崗巖是殘留體、轉(zhuǎn)熔礦物相與熔體發(fā)生逐步分離的產(chǎn)物，石榴石周圍存在放射狀黑云母，是典型的逆反應(yīng)結(jié)構(gòu)。研究表明深熔作用可能發(fā)生在具有順時(shí)針P-T軌跡的變質(zhì)作用演化峰期及峰期后等溫降壓階段。

(4)地球化學(xué)特征顯示石榴花崗巖對(duì)源巖具有一定的繼承性，表現(xiàn)出高Al2O3含量，CaO含量和K2O/Na2O比值存在較大變化，富集輕稀土和大離子親石元素，虧損Nb、Ta、P和Ti；但同時(shí)又存在一定的差異性，其中Eu富集型和虧損型共存的稀土元素配分模式曲線成為這種小規(guī)模深熔花崗巖最標(biāo)志性的特征之一。

(5)包頭一帶深熔石榴花崗巖至少形成于2.43Ga之前，可能與華北克拉通北緣新太古代晚期構(gòu)造熱事件密切相關(guān)。

致謝感謝北京離子探針中心董春艷研究員和頡頏強(qiáng)研究員在SHRIMP鋯石U-Pb測(cè)年過(guò)程中提供的幫助。感謝魏春景教授、楊崇輝研究員以及萬(wàn)渝生研究員對(duì)本文提出的諸多寶貴意見(jiàn)，對(duì)論文質(zhì)量提高起了重要作用。

在沈其韓院士百歲大壽之際，謹(jǐn)以此文表示祝賀。